[논문 리뷰] Dissipative Landau-Zener tunneling in the crossover regime from weak to strong environment coupling

X. Dai, R. Trappen외 23명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 05.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 조절 가능한 초전도 큐비트를 사용하여 Landau-Zener 터널링에서 약한 소산에서 강한 소산으로의 전이를 실험적으로 입증한다. 시스템-환경 상호작용을 조절함으로써, 약한 결합 영역에서는 열화학적 평형 상태에 도달하고 강한 결합 영역에서는 환경에 둘러싸인 상태의 동역학을 관찰하였으며, 이는 개방된 양자 시스템의 동역학과 양자 앤날링에 대한 새로운 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

Landau-Zener tunneling, which describes the transition in a two-level system during a sweep through an anti-crossing, is a model applicable to a wide range of physical phenomena. Realistic quantum systems are affected by dissipation due to coupling to their environments. An important aspect of understanding such open quantum systems is the relative energy scales of the system itself and the system-environment coupling, which distinguishes the weak- and strong-coupling regimes. Using a tunable superconducting flux qubit, we observe the crossover from weak to strong coupling to the environment in Landau-Zener tunneling. Our results confirm previous theoretical studies of dissipative Landau-Zener tunneling in the weak and strong coupling limits. We devise a spin bath model that effectively captures the crossover regime. This work is relevant for understanding the role of dissipation in quantum annealing, where the system is expected to go through a cascade of Landau-Zener transitions before reaching the target state.

연구 동기 및 목표

• 비가역적인 Landau-Zener 터널링에서 양자 시스템과 환경 간의 약한 결합에서 강한 결합으로의 전이를 실험적으로 관측하는 것.
• 환경에 의해 유도되는 효과—예를 들어 열화학적 평형 상태와 환경에 둘러싸인 상태 전이—가 시스템-바스 결합 강도가 증가함에 따라 어떻게 변화하는지 조사하는 것.
• 이전에 실험적으로 탐색되지 않은 중간 결합 영역에서 개방된 양자 시스템의 이론적 모델에 대한 실험적 검증을 제공하는 것.
• 이러한 동역학이 비아디아바틱 전이와 양자 중단이 성능 저하 요인으로 작용하는 양자 앤날링에 어떤 영향을 미치는지 평가하는 것.

제안 방법

• 지속 전류와 수준 분리도를 제어하기 위해 용량성으로 보상된 접합을 가진 조절 가능한 초전도 플럭스 큐비트를 사용하였다.
• 빠른 임의의 파형 생성기를 사용한 플럭스-편향 구조를 활용하여 큐비트가 피하기 어려운 수준 교차 영역을 통과하도록 스위프하여 Landau-Zener 전이를 가능하게 하였다.
• 플럭스 민감한 공진기 읽기 방법을 통해 지속 전류 기저에서 측정을 수행하여 에너지 고유기저와 99% 이상의 오버랩을 보장하는 고정밀도 상태 검출을 실현하였다.
• T1 및 T2 리아소르션/디코herence 측정을 통해 노이즈를 특성화하고, 회로 모델을 피팅하여 $I_p$와 $Δ$를 플럭스 편향의 함수로 추출하였다.
• 시간에 따라 변화하는 AME(아디아바틱 마스터 방정식) 및 PTRE(폴라론-변환 레드필드 방정식) 형식을 사용하여 개방 시스템의 동역학을 시뮬레이션하여 약한 및 강한 결합 영역을 모델링하였다.
• 노이즈 민감도 및 리아소르션 데이터로부터 $z$-루프 플럭스 노이즈의 파wer 스펙트럴 밀도(PSD)를 계산하였으며, 이를 마스터 방정식 시뮬레이션의 입력 자료로 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시스템-환경 상호작용 강도가 약한 상태에서 강한 상태로 증가함에 따라 비가역적인 Landau-Zener 터널링에서의 전이 확률은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 중간 결합 영역에서 지배적인 디코herence 메커니즘은 무엇이며, 이는 약한 결합 영역의 열화학적 평형 상태와 강한 결합 영역의 환경에 둘러싸인 상태 시나리오와 어떻게 다를까?
• RQ3 AME 및 PTRE 형식이 약한 결합에서 강한 결합으로의 전체 전이 영역에서 실험 데이터를 얼마나 정확하게 기술하는가?
• RQ4 $1/f$ 노이즈와 비마르코프 효과가 강한 결합 영역의 동역학에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 실험적으로 약한 결합에서 강한 결합으로의 부드러운 전이가 관측되었으며, 전이 확률은 약한 결합 영역에서는 열화학적 평형 상태에 의해 지배되고 강한 결합 영역에서는 환경에 둘러싸인 상태 간의 전이에 의해 지배됨을 확인하였다.
• 약한 결합 영역에서 측정된 노이즈 PSD를 사용한 AME 시뮬레이션은 관측된 전이 확률을 정확히 예측하였으며, 이는 환경에 의해 유도된 열화학적 평형 상태의 역할을 확인하였다.
• 강한 결합 영역에서 PTRE 형식은 AME보다 실험 데이터에 더 잘 맞는 것으로 나타났으며, 이는 강한 시스템-환경 얽힘과 비마르코프 효과가 정확한 모델링에 필수적임을 시사한다.
• 마스터 방정식에 람브-시프트 항을 포함시키는 것은 최종 기저 상태 확률에 거의 영향을 주지 않았으며, 이는 이중 측면 AME에 이러한 항을 포함시키지 않고도 사용하는 것이 타당함을 검증하였다.
• 결과적으로 중간 결합 영역은 기존의 약한 또는 강한 결합 이론으로는 기록되지 않는 비선형적 동역학을 나타내며, 고도의 개방 시스템 프레임워크의 필요성을 강조한다.